Darse cuenta del potencial de los vehículos autónomos depende de la tecnología que pueda detectar y reaccionar rápidamente ante obstáculos y otros vehículos en tiempo real. Los ingenieros de la Universidad de Texas en Austin y la Universidad de Virginia crearon un nuevo dispositivo de detección de luz, el primero en su tipo, que puede amplificar con mayor precisión las señales débiles que rebotan en objetos lejanos de lo que permite la tecnología actual. dando a los vehículos autónomos una imagen más completa de lo que está sucediendo en la carretera.

El nuevo dispositivo es más sensible que otros detectores de luz porque también elimina la inconsistencia, o ruido, asociado con el proceso de detección. Dicho ruido puede hacer que los sistemas pierdan señales y poner en riesgo a los pasajeros de los vehículos autónomos.

"Los vehículos autónomos envían señales láser que rebotan en los objetos para indicarle a qué distancia se encuentra. No regresa mucha luz, por lo tanto, si su detector emite más ruido que la señal que ingresa, no obtiene nada, "dijo Joe Campbell, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Virginia.

Investigadores de todo el mundo están trabajando en dispositivos, conocidos como fotodiodos de avalancha, para satisfacer estas necesidades. Pero lo que hace que este nuevo dispositivo se destaque es su alineación en forma de escalera. Incluye pasos físicos en la energía que los electrones bajan, multiplicándose a lo largo del camino y creando una corriente eléctrica más fuerte para la detección de luz a medida que avanzan.

En 2015, los investigadores crearon un dispositivo de escalera de un solo paso. En este nuevo descubrimiento, detallado en Fotónica de la naturaleza , han mostrado, por primera vez, un fotodiodo de avalancha de escalera con múltiples escalones.

"El electrón es como una canica rodando por un tramo de escaleras, "dijo Seth Bank, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Escuela Cockrell que dirigió la investigación con Campbell, ex profesor en la Escuela Cockrell de 1989 a 2006 y ex alumno de UT Austin (B.S., Física, 1969). "Cada vez que la canica se cae de un escalón, cae y choca contra el siguiente. En nuestro caso, el electrón hace lo mismo, pero cada colisión libera suficiente energía para liberar realmente otro electrón. Podemos comenzar con un electrón, pero caer en cada paso duplica el número de electrones:1, 2, 4, 8, etcétera."

El nuevo dispositivo del tamaño de un píxel es ideal para receptores de detección de luz y rango (lidar), que requieren sensores de alta resolución que detectan señales ópticas reflejadas desde objetos distantes. Lidar es una parte importante de la tecnología de los vehículos autónomos, y también tiene aplicaciones en robótica, vigilancia y cartografía del terreno.

Agregar pasos aumenta la sensibilidad y la consistencia del dispositivo. Y la multiplicación constante de electrones con cada paso hace que las señales eléctricas del detector sean más confiables, incluso en condiciones de poca luz.

"Cuanto menos aleatoria sea la multiplicación, cuanto más débiles sean las señales que pueda distinguir del fondo, "dijo Bank". Por ejemplo, eso podría permitirle mirar a mayores distancias con un sistema de radar láser para vehículos autónomos ".

Este tipo de capacidad de detección existe desde hace décadas, pero las barreras tecnológicas frenaron su avance. Los tubos fotomultiplicadores representaron durante mucho tiempo el "santo grial" de esta forma de detección, Bank dijo, pero esa tecnología existe desde hace más de 50 años y utiliza componentes de iluminación y tubos de vacío obsoletos. En la década de 1980, El inventor Federico Capasso concibió por primera vez la tecnología de fotodiodos de avalancha que los investigadores han estado estudiando. Pero las herramientas y técnicas para hacerlo realidad no estaban lo suficientemente avanzadas.

La ciencia detrás de este avance viene en una nueva forma de cultivar materiales, Bank dijo. En lugar de cultivar materiales con átomos distribuidos al azar, crearon aleaciones en capas compuestas de compuestos binarios, los formados por dos elementos, apilados uno encima del otro.

"Lo que esto permite es cambiar el panorama energético del electrón de una manera muy simple para crear la estructura que imaginó Capasso a principios de los 80, pero desafortunadamente no existía la capacidad de sintetizar cristales que tuvieran todas las propiedades requeridas, "Bank dijo.

Otra pieza importante de este dispositivo es que puede funcionar a temperatura ambiente. Hoy dia, los detectores de luz más sensibles deben mantenerse a temperaturas de cientos de grados bajo cero, haciéndolos demasiado caros y poco prácticos para aplicaciones como lidar.

La investigación fue financiada por la Oficina de Investigación del Ejército de los Estados Unidos (ARO) y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA). Los investigadores cuentan con fondos a través de ARO y DARPA para continuar refinando su proceso y agregar aún más pasos a los dispositivos. Y están trabajando con una empresa de semiconductores para comercializar la tecnología.

Los ingenieros también planean casar su dispositivo de escalera de varios escalones con un fotodiodo de avalancha que construyeron el año pasado que es sensible a la luz infrarroja cercana. lo que abre nuevas aplicaciones como las comunicaciones por fibra óptica y la imagen térmica.

"Esto debería darnos lo mejor de ambos mundos:respuesta a una gama más amplia de colores y mayor sensibilidad a señales débiles debido a la menor amplificación de ruido que proviene naturalmente de la arquitectura de escalera, "Bank dijo.